防治煤自燃的高穩(wěn)定泡沫凝膠的制備及其特性研究

蔡春城

（上海大屯能源股份有限公司孔莊煤礦，江蘇 徐州 221600）

孔莊煤礦7303綜采工作面北為-760 m等高線，南到7301 工作面溜子道，東至KF13 斷層，西至Ⅲ5 采區(qū)人行下山。工作面對應(yīng)地面標(biāo)高+33.38 m，工作面標(biāo)高為-641.6～ -764.7 m，工作面走向長1 015.0 m，傾向長205.0 m （斜長217 m），煤層厚度2.90～5.00 m，平均厚度3.20 m，工作面煤層傾角在15°～25°，平均傾角19°，工作面斜面積211 175 m2。7303 工作面過斷層期間，由于回采推進(jìn)速度慢，斷層區(qū)域采空區(qū)及頂煤存在煤炭自燃風(fēng)險(xiǎn)，因此為加強(qiáng)工作面過斷層期間采空區(qū)防滅火工作，確保工作面的安全生產(chǎn)，研制了一種新型防滅火材料即高穩(wěn)定性泡沫凝膠[1-6]。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)原料：水玻璃（WG），40 °Bé，模數(shù)3.3，含量34%，山東優(yōu)索化工科技有限公司（中國）；碳酸氫鈉（NaHCO3），含量≥ 99.5%，pH 值（50 g/L，25 ℃）≤8.6，水不溶物≤0.01%，分析純；改性有機(jī)硅聚醚乳液（MPS），含量55%，臨沂綠森化工有限公司；復(fù)合表面活性劑（CFA）：主要包含脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉和十二烷基硫酸鈉。

1.2 制備流程

（1）制備質(zhì)量濃度為0.7 %的CFA 溶液，然后加入一定量的MPS 進(jìn)行攪拌直至均勻。 （2）加入一定量的WG 并攪拌均勻。（3）加入一定量的NaHCO3溶液，機(jī)械攪拌發(fā)泡。

具體制備流程如圖1。

圖1 高穩(wěn)定性泡沫凝膠的制備流程

1.3 高穩(wěn)定性泡沫凝膠的性能表征

1.3.1 成膠時間

將NaHCO3溶液加入到WG 中混合并充分?jǐn)嚢? s，停止攪拌后即開始計(jì)時T1，每隔2 s 輕微晃動樣品并觀察漿液流動狀態(tài)，直至漿液凝固，記錄時間T2，成膠時間T=T2-T1。

1.3.2 微觀結(jié)構(gòu)

采用徠卡電子顯微鏡（DVW5000HD，Japan）觀察泡沫的微觀結(jié)構(gòu)。利用圖像分析軟件，分析泡沫體系中氣泡尺寸的分布特征及演化過程[7-9]。

1.3.3 滅火試驗(yàn)

用柴油作為點(diǎn)火材料。滅火材料包括水、傳統(tǒng)泡沫凝膠和高穩(wěn)定性泡沫凝膠。滅火試驗(yàn)裝置包括熱電偶、注漿插管、鐵架臺和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。熱電偶放置在煤堆中間，滅火劑流速為60～80 L/s，灌注壓力為0.6～1 MPa。滅火過程：用柴油引燃煤堆，使用注漿插管將滅火劑灌注到燃燒10 min 后的煤堆，用熱電偶監(jiān)測燃燒過程中溫度的變化。滅火試驗(yàn)重復(fù)三次，結(jié)果取平均值。

1.4 高穩(wěn)定性泡沫凝膠的現(xiàn)場應(yīng)用

預(yù)先對井下液壓支架架間煤體進(jìn)行鉆孔，隨后通過鉆孔向煤體注入泡沫凝膠。每個支架均布設(shè)3個鉆孔：架前鉆孔、架中鉆孔和架后鉆孔。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 成膠時間

表2 顯示了不同濃度NaHCO3和WG 對成膠時間的影響。從表中可以看出，隨著WG 和NaHCO3濃度的增加，發(fā)泡溶液的粘度逐漸增加，成膠時間逐漸縮短。這主要是因?yàn)殡S著WG 和NaHCO3濃度的增加，二者之間發(fā)生的無機(jī)縮聚反應(yīng)得到加速，從而大大縮短了成膠時間?？紤]到現(xiàn)場應(yīng)用的限制，如管道運(yùn)輸和成本，膠凝時間一般應(yīng)控制在1～5 min。因此，WG 和NaHCO3的濃度最終分別以10wt%～11wt%和3wt%～4wt%最佳。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)

圖2 顯示了傳統(tǒng)泡沫凝膠和高穩(wěn)定性泡沫凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。從圖2（a）、（b）可以發(fā)現(xiàn)，在0～1 h 泡沫粗化的過程中，兩種泡沫凝膠中的小氣泡都合并成了大氣泡，泡沫表面積變小。傳統(tǒng)泡沫凝膠的氣泡平均尺寸從1.37 mm 增加到2.46 mm，高穩(wěn)定性泡沫凝膠的氣泡平均尺寸從0.62 mm 增加到0.89 mm，這說明高穩(wěn)定性泡沫凝膠具有更好的穩(wěn)定性。這主要是因?yàn)楦叻€(wěn)定性泡沫凝膠的氣泡液膜更穩(wěn)定，減緩了氣體的擴(kuò)散速度和液體的流動速度，減弱了氣泡的粗化和析液。

表1 不同濃度碳酸氫鈉和水玻璃對成膠時間的影響規(guī)律

圖2 0 h 和1 h 泡沫的微觀結(jié)構(gòu)

2.3 滅火性能

圖3 顯示了水、傳統(tǒng)泡沫凝膠和高穩(wěn)定性泡沫凝膠進(jìn)行滅火實(shí)驗(yàn)所得的溫度曲線。從圖3 可以發(fā)現(xiàn)，溫度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，溫度升高對應(yīng)著煤炭燃燒階段，溫度降低對應(yīng)著滅火階段。煤炭在燃燒一段時間后，溫度達(dá)到600 ℃，然后用等量的滅火材料進(jìn)行滅火，煤堆中的熱電偶測量到溫度快速下降，這表明三種滅火材料都有良好的冷卻降溫效果。其中，在用水和傳統(tǒng)泡沫凝膠進(jìn)行滅火時發(fā)現(xiàn)，兩種滅火材料易流失、蒸發(fā)，不能完全覆蓋煤體，并且會出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象，不具備長時間的防滅火性能；而在用高穩(wěn)定性泡沫凝膠進(jìn)行滅火時發(fā)現(xiàn)，其具有較好的堆積附著性，能夠長時間的包裹煤體，并且不會出現(xiàn)煤堆復(fù)燃的現(xiàn)象，具有理想的防滅火性能。上述滅火結(jié)果的差異主要是因?yàn)楦叻€(wěn)定性泡沫凝膠具有較高的穩(wěn)定性，其中的水分在蒸發(fā)后可在煤體表面形成穩(wěn)定性能良好的凝膠隔氧膜，阻斷煤體與氧氣的進(jìn)一步接觸而氧化，起到了窒息滅火的作用。

圖3 不同防滅火材料的滅火效果

2.4 礦井總回風(fēng)流CO 濃度的變化情況

圖4 展現(xiàn)了壓注高穩(wěn)定泡沫凝膠后礦井總回風(fēng)流CO 濃度的變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，未壓注高穩(wěn)定泡沫凝膠時，礦井總回風(fēng)流中CO 濃度超過2.4×10-5（例如，2021 年6 月7 日高達(dá)1×10-4）。2021 年6 月21 日—2021 年7 月2 日循環(huán)壓注高穩(wěn)定泡沫凝膠，CO濃度迅速降低，穩(wěn)定在1×10-5以下。停止壓注泡沫凝膠后，CO 濃度依然較低。這表明高穩(wěn)定泡沫凝膠具有良好的防滅火效果。

圖4 壓注泡沫凝膠前后礦井總回風(fēng)流CO 濃度的變化情況

2.5 防滅火機(jī)理

圖5 顯示了高穩(wěn)定性泡沫凝膠的滅火機(jī)理。首先，高穩(wěn)定性泡沫凝膠具有良好的堆積附著性，能夠很好地包裹住高溫煤體并借助自身含有的大量水分對煤體進(jìn)行物理降溫，其中的水分在吸收大量熱量后會相變?yōu)樗魵舛⑹А．?dāng)高穩(wěn)定性泡沫凝膠失水到一定程度后，促使其中的凝膠組分濃度變大，成膠時間縮短，進(jìn)而在煤體表面形成凝膠隔氧膜，形成的凝膠隔氧膜能夠阻斷煤體與氧氣的接觸，從而防止煤的進(jìn)一步氧化。

圖5 高穩(wěn)定性泡沫凝膠的滅火機(jī)理

3 結(jié)論

為預(yù)防和控制采空區(qū)煤自燃，本文利用WG、NaHCO3、CFA 和MPS 研發(fā)出一種高穩(wěn)定性泡沫凝膠，對比分析了泡沫凝膠的成膠時間、微觀結(jié)構(gòu)和滅火效果，闡明了高穩(wěn)定性泡沫凝膠的防滅火機(jī)理，主要結(jié)論總結(jié)如下：

（1）高穩(wěn)定性泡沫凝膠的穩(wěn)定性隨著WG 和NaHCO3的摻量增加而增加，成膠時間隨著WG 和NaHCO3的摻量增加而縮短。WG 和NaHCO3的濃度優(yōu)選為10wt%～11wt%和3wt%～4wt%。

（2）與傳統(tǒng)泡沫凝膠相比，高穩(wěn)定性泡沫凝膠的氣泡尺寸更小且均勻，并且隨著時間的增加，氣泡尺寸變化幅度小，這說明高穩(wěn)定性泡沫凝膠具有較好的穩(wěn)定性。

（3）通過滅火實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高穩(wěn)定性泡沫凝膠具有良好的堆積附著性和降溫效果，在失水一定程度后，其能夠在煤體表面形成凝膠隔氧膜，從而進(jìn)一步阻止了煤與氧氣的接觸，具有較好的防滅火效果。

（4）現(xiàn)場監(jiān)測CO 氣體濃度的數(shù)據(jù)表明，礦井總回風(fēng)流中CO 濃度遠(yuǎn)低于2.4×10-5，泡沫凝膠的應(yīng)用效果顯著。